Нейробиологи Северо-Западного университета раскрыли ключ к разгадке этого поведения. Изучая плодовую мушку, исследователи определили схему «термометра», которая передает информацию о внешней холодной температуре от антенны мухи к верхнему мозгу. Они показывают, как через этот контур сезонные холодные и темные условия могут подавлять нейроны в мозгу мух, которые способствуют активности и бодрствованию, особенно по утрам.
«Это помогает объяснить, почему – как для мух, так и для людей – зимой так трудно просыпаться утром», – сказал Марко Галлио, доцент нейробиологии Колледжа искусств и наук Вайнберга. "Изучая поведение плодовой мухи, мы можем лучше понять, как и почему температура так важна для регуляции сна."
Исследование, проведенное под руководством Галлио на Drosophila melanogaster, было опубликовано сегодня (21 мая) в журнале Current Biology.
В статье впервые описаны рецепторы "абсолютного холода", находящиеся в антенне мухи, которые реагируют на температуру только ниже "зоны комфорта" мухи, составляющей приблизительно 77 градусов по Фаренгейту.
Выявив эти нейроны, исследователи проследили за ними весь путь к их целям в мозгу. Они обнаружили, что основными получателями этой информации являются небольшая группа нейронов мозга, которые являются частью более крупной сети, которая контролирует ритмы активности и сна.
Когда обнаруженный ими контур охлаждения активен, клетки-мишени, которые обычно активируются утренним светом, отключаются.
Дрозофила – это классическая модельная система для циркадной биологии, области, в которой исследователи изучают механизмы, контролирующие наш 24-часовой цикл отдыха и активности. Большая часть текущей работы сосредоточена на том, как изменения внешних сигналов, таких как свет и температура, влияют на ритмы активности и сна и как сигналы достигают определенных цепей мозга, которые контролируют эти реакции.
Хотя определение температуры окружающей среды имеет решающее значение для мелких "хладнокровных" плодовых мушек, люди по-прежнему живут комфортно и постоянно ищут идеальные температуры.
Одна из причин, по которой люди ищут оптимальную температуру, заключается в том, что температура ядра и мозга тесно связана с индукцией и поддержанием сна. Сезонные изменения дневного света и температуры также связаны с изменениями сна.
«Измерение температуры – одна из самых фундаментальных сенсорных модальностей», – сказал Галлио, группа которого является одной из немногих в мире, которые систематически изучают определение температуры у плодовых мушек. "Принципы, которые мы находим в мозгу мухи – логика и организация – могут быть одинаковыми для всех людей. Будь то человек или человек, сенсорные системы должны решать одни и те же проблемы, поэтому часто они делают это одним и тем же способом."
Галлио является автором-корреспондентом статьи. Майкл Х. Альперт, научный сотрудник лаборатории Галлио, и Доминик Д. Фрэнк, бывший доктор философии.D. студент лаборатории Галлио, являются соавторами статьи.
"У нарушения сна много разветвлений – утомляемость, снижение концентрации внимания, плохая обучаемость и изменение множества параметров здоровья – но мы до сих пор не до конца понимаем, как сон производится и регулируется в головном мозге и как изменения внешних условий могут влияют на качество сна и его качество ", – сказал Альперт.
Исследование, над которым работали многие годы совместными усилиями, было выполнено в лаборатории Галлио рядом ученых на разных этапах своей карьеры, от студентов бакалавриата до главного исследователя.
«Очень важно изучить мозг в действии», – сказал Фрэнк. "Наши результаты демонстрируют важность функциональных исследований для понимания того, как мозг управляет поведением."
В целом, исследование в значительной степени полагалось на способность изучать как активность нейронов, так и роль этих нейронов в поведении.
Для этого исследователи разработали новые инструменты и использовали комбинацию функциональных и анатомических исследований, нейрогенетических и поведенческих подходов к мониторингу для проведения этих экспериментов как на диких, так и на трансгенных мухах.